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Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola Interações intermoleculares N° 4 – Maio 2001
Introdução
Q
uando moléculas, átomos ou íons aproximam-se uns dos outros, dois fenômenos po- dem ocorrer: (i) eles podem reagir ou (ii) eles podem interagir. Uma reação química por definição requer que ligações químicas sejam quebradas e/ ou formadas. Usualmente as energias envolvidas neste processo variam en- tre 50 e 100 kcal.mol -1. Uma interação química significa que as moléculas se atraem ou se repelem entre si, sem que ocorra a quebra ou formação de no- vas ligações químicas. Estas intera- ções são freqüentemente chamadas de interações não covalentes ou inte- rações intermoleculares. As energias envolvidas em tais tipos de interações são muito menores que aquelas envol- vidas em processos reativos, variando usualmente entre 0,5 a 10 kcal.mol -1. As interações intermoleculares estão intimamente relacionadas com as propriedades termodinâmicas de líquidos, sólidos e gases. Logo, o en- tendimento de tais forças intermo- leculares é de extrema relevância se quisermos entender o comportamento de sistemas químicos a nível molecu- lar. Como exemplo, a Figura 1 mostra como a temperatura de ebulição de hidrocarbonetos (compostos contendo somente carbono e hidrogênio) varia com o número de átomos de carbono
Willian R. Rocha
Este artigo tem por objetivo fornecer uma descrição qualitativa dos principais tipos de interações intermoleculares que atuam nos sistemas químicos, e mostrar como o entendimento de tais interações pode auxiliar na racionalização de propriedades macroscópicas observáveis.
propriedades termodinâmicas, forças intermoleculares
presentes na molécula. A temperatura de ebulição de um composto é a tem- peratura na qual um sistema líquido passa para a fase gasosa, que tem uma relação direta com as forças entre as molé- culas constituintes do líquido. Pode-se ver na Figura 1 que a tem- peratura de ebulição varia linearmente com o número de átomos de carbono. É interessante per- ceber na Figura 1 que o único fator diferenciador entre uma molécula e outra é a quantidade de átomos de carbono presentes. Entre- tanto, estas moléculas possuem um comportamento macroscópico com- pletamente diferente. CH 4 é um gás à
temperatura ambiente e C 8 H 18 é um lí- quido. Esta e outras característica, co- mo será mostrado adiante, estão inti- mamente relaciona- das com a natureza das interações exis- tentes entre as molé- culas. A Tabela 1 ilustra como as propriedades de um sistema quí- mico estão intimamen- te relacionadas com a sua composição e es- trutura tridimensional. Nesta tabela, são mostrados compostos com massas moleculares aproxima- damente iguais mas, que à tempera- tura ambiente existem em diferentes fases: butano (gás), acetona e álcool isopropílico (líquidos). É interessante perceber que dos dois líquidos, aceto- na e álcool isopropílico, a única diferen- ça entre eles é a substituição de um grupo C=O por um grupo C-OH. Esta mudança é suficiente para alterar com- pletamente as características dos dois líquidos. Como pode ser visto, a aceto- na é um líquido muito mais volátil que o álcool isopropílico. A substituição dos grupos funcionais é acompanhada de uma mudança na estrutura tridimensio- nal da molécula, que irá afetar com- pletamente a maneira na qual elas irão interagir no líquido. Também é
Figura 1: Variação da temperatura de ebu- lição com o número de átomos de carbono para os hidrocarbonetos lineares.
Uma interação química significa que as moléculas se atraem ou se repelem entre si, sem que ocorra a quebra ou formação de novas ligações químicas. Estas interações são freqüentemente chamadas de interações não covalentes ou interações intermoleculares
mostrado na Tabela 1, os diferentes tipos de interação intermolecular, que serão explicados adiante, para os três compostos. Para finalizar com os exemplos, cabe salientar que as interações intermoleculares e seu entendimento ganham sua expressão máxima em sistemas biológicos. As moléculas da vida (DNA, RNA, proteínas etc.) são mantidas em suas estruturas tridimensionais através de interações intra e intermoleculares. Uma vez que a estrutura tridimensional molecular é responsável pela atividade bioló- gica específica destas moléculas, percebe-se então a importância do entendimento de tais interações. Um fato interessante, que até hoje não é bem entendido, é o porquê ou como estas moléculas biológicas adquirem sua estrutura tridimensional. Como exemplo, uma proteína é sintetizada como uma seqüência linear de ami- noácidos que se enovelam no espa- ço dando origem à sua estrutura tridi- mensional única, que irá ditar se esta proteína terá características estru- turais ou enzimáticas. Um outro fato interessante a ser mencionado é que todos os processos orgânicos vitais estão relacionados com o reconhe- cimento molecular específico inter e intramolecular. Estes processos po- dem ser definidos como sendo
interações fracas, usualmente rever- síveis e altamente seletivas entre duas moléculas (intermolecular) ou dentro da macromolécula biológica (intramolecular). Um exemplo das interações intermoleculares especí- ficas que mantém a estrutura tridi- mensional em hélice do DNA é mos-
trado na Figura 2. Este artigo tem por objetivo fornecer uma descrição qualitativa dos princi- pais tipos de interações intermolecu- lares que atuam nos sistemas quími- cos, e mostrar como o entendimento de tais interações pode auxiliar na racionalização de propriedades ma-
Tabela 1: Relação entre a estrutura e propriedades químicas.
Nome butano acetona alcool isopropílico Fórmula molecular C 4 H 10 C 3 H 6 O C 3 H 8 O Massa molecular (g/mol) 58 58 60
Estrutura bidimensional
Estrutura tridimensional
Temperatura de ebulição ( oC) -0,6 56 82
Tipo de interação Dispersão Dipolo - Dipolo Ligação de hidrogênio
Figura 2: Estrutura tridimensional da molécula de DNA. (A) modelo de espaço preenchido. (B) modelo bola e vareta. (C) interações intermoleculares específicas (ligações de hidrogê- nio) entre os pares de bases.
cular, é caracterizada por uma quanti- dade denominada eletronegatividade. A Tabela 2 mostra valores de eletrone- gatividade para alguns átomos: Em uma molécula composta de átomos com diferentes eletronegativi- dades, os átomos com menor eletrone- gatividade ficam com cargas parciais positivas, e os átomos com maior ele- tronegatividade ficam com cargas par- ciais negativas. O resultado disto é que ocorre então uma polarização das li- gações que refletirá na maneira como a molécula irá interagir. Para ilustrar este conceito, considere a molécula de acetona, mostrada na Figura 4. Uma vez que o oxigênio é mais eletronegativo que o átomo de carbo- no, a ligação C=O exibirá um dipolo elétrico μ, (dois monopolos elétricos), com os elétrons tendendo a serem mais atraídos pelo oxigênio. Então, a ligação C=O terá uma carga parcial negativa (δ–) no oxigênio e uma carga parcial positiva no carbono (δ+). A re- presentação do dipolo elétrico resul- tante na molécula de acetona é mos- trada na Figura 4b. A ponta da seta é voltada para o lado negativo do dipolo. Da mesma forma que os lados opostos de um magneto (imã) se atraem, os la- dos opostos de um dipolo se atraem, dando origem às interações dipolo-di- polo. Algumas orientações possíveis entre os dipolos na acetona são mos- tradas na Figura 5. Como pode ser visto, a interação dipolo-dipolo depende da orientação espacial dos dipolos interagentes, isto é, o momento de dipolo elétrico, μ, é uma grandeza vetorial. Todas as molé- culas polares exibem dipolos elétricos que são ditos serem permanentes. A magnitude do dipolo molecular nos for- nece uma medida da polaridade da molécula, logo, moléculas mais pola- res apresentam maiores dipolos elétri-
cos, e moléculas com dipolo elétrico muito baixo ou zero são ditas serem apolares. A expressão matemática que define a interação dipolo- dipolo é mostrada abaixo:
A energia de interação dipolo-di- polo depende então da orientação en- tre os dois dipolos (dados pelos ângulos θa e θb ) e varia com o inverso da terceira potência da separação in- termolecular, 1/r 3. Uma vez que dipolos são propriedades vetoriais, a estrutura tridimensional da molécula é crucial para a determinação da distribuição de cargas na molécula e, por conseguinte, do momento de dipolo resultante. Como exemplo, algumas moléculas podem ter ligações polares e, entre- tanto, não exibirem momento de dipolo elétrico resultante. Como por exemplo as moléculas CF 4 e trans -1,2-dicloro- eteno, mostradas abaixo, não exibirão dipolo elétrico, pois o arranjo tridimen-
sional dos átomos nestas moléculas faz com os dipolos presentes nas liga- ções se anulem no somatório global para a determinação do dipolo molecu- lar. Por conseguinte, estas moléculas não exibirão interações do tipo dipolo- dipolo.
Interações dipolo-permanente–dipolo
induzido
Uma molécula com um dipolo per- manente pode induzir um dipolo em uma segunda molécula que esteja localizada próxima no espaço. A força desta interação irá depender do mo- mento de dipolo da primeira molécula e da polarizabilidade, a, da segunda molécula. A polarizabilidade de uma molécula é uma grandeza física que indica com que facilidade a densidade eletrônica da molécula pode ser pola- rizada, isto é, formando uma distribui- ção assimétrica de densidade eletrôni- ca (cargas) e por conseguinte ocorren- do a formação de dipolos instantâneos na molécula. Estes dipolos instantâ- neos podem então se alinhar de várias maneiras com o dipolo permanente da primeira molécula, originando a intera- ção dipolo permanente-dipolo indu- zido. Este tipo de interação usualmente
Tabela 2: Valores de eletronegatividade para alguns átomos. Átomo Eletronegatividade H 2, C 2, N 2, O 3, S 2,
Figura 4: Momento de dipolo molecular da molécula de acetona. (A) distribuição de car- gas, (B) orientação do vetor momento de dipolo resultante.
Figura 5: Algumas orientações dos vetores momento de dipolo na acetona.
Figura 6: Orientação dos dipolos de ligação resultando em um dipolo molecular nulo.
varia com o inverso da quarta potência da separação intermolecular, 1/r^4 , e ocorre entre moléculas polares e apolares. A Figura 7 ilustra a interação dipolo permanente-dipolo induzido entre uma molécula polar e uma molé- cula apolar.
Interações de dispersão
Na introdução deste texto foi mos- trado o exemplo dos hidrocarbonetos e a variação da temperatura de ebuli- ção dos mesmos em função do núme- ro de átomos de carbono (Figura 1). Estes compostos possuem somente ligações do tipo C-C e C-H. Uma vez que a diferença entre as eletronega- tividades dos átomos de carbono e hidrogênio é muito pequena, estes compostos serão apolares. Mas como explicar a diferença drástica na tem- peratura de ebulição mostrada na Fi- gura 1? Indo mais além, como explicar o fato de que CH 4 é um gás à tempe- ratura ambiente e C 8 H 18 é um líquido, sendo que a única diferença entre eles está no número de átomos de carbo- no? A resposta, como era de se espe- rar, está no tipo de interação intermo- lecular presente nestes compostos. Quando compostos apolares inte- ragem, o contato de uma molécula com a outra faz com que apareça uma força atrativa muito fraca que pode ser vista como uma interação dipolo indu- zido-dipolo induzido. Isto é, as polariza- bilidades das duas moléculas em con- tato é que irão determinar a força de tal interação. Uma molécula perturba a densidade eletrônica da outra, fa- zendo aparecer dipolos momentâneos que se orientam e originam esta intera- ção fraca. Esta interação também é co- nhecida como força de dispersão de London, em homenagem a Fritz Lon- don, que as descobriu. Trata-se de uma interação muito fraca, que varia com o inverso da sexta potência da separa- ção intermolecular, 1/r 6. Este tipo de força está presente em todo tipo de
sistema molecular, mas torna-se apa- rente somente quando as outras intera- ções intermoleculares não estão pre- sentes, como no caso dos hidrocarbonetos. Apesar de ser uma inte- ração fraca, possui um efeito cumulativo e varia proporcionalmente com o número de contatos moleculares presentes na molécula. Isto jus- tifica então o gráfico apresentado na Figu- ra 1.
Ligações de hidrogênio
A idéia que um único átomo de hidrogênio poderia formar uma “liga- ção química” com outros dois átomos foi proposta em 1919 e 1920 por M.L. Huggins e G.N. Lewis, respectiva- mente. Um átomo aceptor (A), que possua um par de elétrons não ligado, pode interagir favoravelmente com um átomo doador (D) que carrega um hidrogênio ácido. Duas maneiras dife- rentes de representar uma ligação de hidrogênio podem ser vistas na Figura
Uma ligação de hidrogênio requer que A e D sejam átomos eletronegativos (como por exemplo N, O e F). Se o átomo de hidrogênio está ligado a um átomo muito eletronegativo, o hidrogênio fica com uma carga parcial bastante positiva (ou ácido), e o outro átomo (D) fica com carga parcial negativa. Uma vez que o hidrogênio é o menor átomo da tabela perió- dica, é possível que as duas moléculas entrem em contato muito próximo uma da outra. A combinação de alta pola- ridade da ligação H-D e o con- tato muito próximo resulta em uma interação particularmente forte. Na verdade, a interação
é tão forte que é diferente das intera- ções dipolo-dipolo convencionais, e re- cebe o nome especial de ligação de hidrogênio. A geo- metria de uma liga- ção de hidrogênio pode ser descrita através de três parâ- metros: a distância D-H, representada por r 1 na Figura 8a, a distância H-A, r 2 , e o ângulo φ entre D- H-A. As ligações de hidrogênio não são necessariamente lineares, correspondendo a φ = 180°, e um mesmo átomo aceptor pode formar mais de uma ligação de hidro- gênio, como mostrado na Figura 8b. Quando a técnica de raios X, que nos permite determinar o arranjo tridimen- sional dos átomos em uma molécula, é aplicada a sistemas contendo hidro- gênio, não é possível determinarmos a posição dos átomos de hidrogênio. Desta forma, a descrição geométrica da ligação de hidrogênio é determi- nada através da distância de sepa- ração D-A (rDA na Figura 8a). É comum
Figura 7: Interação de uma molécula polar com uma molécula apolar.
Figura 8: Arranjo geométrico das ligações de hidrogênio. (A) interação entre duas moléculas de água. (B) interação entre uma molécula modelo de ligação pepitídica ( trans -N-Metilacetamida) com três moléculas de água, mostrando que o átomo de oxigênio pode estar envolvido em mais de uma ligação.
Quando compostos apolares interagem, o contato de uma molécula com a outra faz com que apareça uma força atrativa muito fraca que pode ser vista como uma interação dipolo induzido-dipolo induzido
